“人造太陽”背後的技術挑戰

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據《科學》雜誌網站近日報道，歐盟負責聚變研發工作的機構——歐洲聚變發展協會(EFDA)發布了歐盟聚變示範電站(DEMO)設計與開發路線圖，計劃於2050年建成一座未來可供工業界使用的原型聚變電站。該路線圖列出了一份令人生畏的技術清單，其中包括全球聚變科學家和工程師未來數十年需要努力應對的若幹技術挑戰。

ITER將是聚變發電的主要突破

2006年，由中國、歐盟、印度、日本、俄羅斯、韓國和美國等7個成員國參加的“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”正式啟動。聚變反應堆利用的是氫同位素(氘和氚)的核聚變反應所釋放的能量，這也是太陽和其他恒星的能量來源。利用可控聚變能是解決全球能源和環境問題的一個重要途徑，而實現聚變反應堆商業化運行需要三個階段：即建造ITER裝置並據此進行科學和工程研究；設計、建造與運行聚變示範電站；建造商業化聚變反應堆。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克，俗稱“人造太陽”。其中心是高溫氘氚等離子體環，等離子體環在屏蔽包層的環型包套中，屏蔽包層將吸收核聚變反應產生的所有中子。根據該計劃目前的進展，建造於法國的聚變反應堆將於6年後投入運行，它被認為是人類發展聚變能的主要突破。

在聚變反應堆中，需要利用強磁體、無線電波和粒子束等將聚變燃料等離子體壓縮並加熱到至少1.5億攝氏人造太度，使等離子體發生聚變反應。這需要消耗巨大能量，但迄今為止尚沒有一座反應堆能夠產生凈能量增益(即產出能量大於輸入能量)。科學家期望ITER能夠突破上述障礙，輸入50兆瓦(1兆相當於100萬)的能量可以產生500兆瓦的聚變功率，其持續時間可保持數分鐘。但這僅是一種科學驗證，ITER本身將不能被用來發電，發電重任將交給其後繼者——聚變示範電站。

然而，目前研究人員才剛開始考慮聚變示範電站的設計工作。從目前的各種跡象來看，聚變示範電站的設計和建造工作將不會被納入全球性的合作計劃。最近韓國宣布它正在從事聚變示範電站(K-DEMO)的初步設計工作；中國也已開始設計“中國聚變工程測試反應堆”，這是介於ITER和聚變示範電站之間的中間步驟。歐洲聚變發展協會制定的路線圖雖並未排除國際合作，但將所有研究工作限定在歐盟2014年到2020年聚變預算範圍之內。

歐盟聚變示範電站研發路線圖

該路線圖認為，人類在利用聚變發電方面取得進展的關鍵在於ITER，因此需要傾力確保其成功，其中包括研究現有小型反應堆的各種運營方案。路線圖指出，最大的技術挑戰是如何從未來的聚變反應堆中排除核反應後的廢氣。

ITER和其他類似的現代反應堆底部都有一個偏濾器，其作用之一就是從等離子體容器中卸去乏燃料。當等離子體接觸到偏濾器固態表面時，它將吸收大量熱量。ITER偏濾器是由不銹鋼制成，外表用鎢層覆蓋。在研究用反應堆中，由於其正常運行時的能量較低，且每次運行時間最多為數分鐘，這種偏濾器可以正常工作。但聚變示範電站在正常運行時將會持續產生吉瓦級(1吉瓦等於1000兆瓦)的能量，常規的偏濾器無法承受如此高的熱載。因此，路線圖指出，研究人員必須開發其他備用設計方案。替代方案可能會設法擴大等離子體與偏濾器的接觸面積以減少熱載，或允許等離子體在接觸偏濾器前輻射出更多熱量。歐洲聚變發展協會指出，未來需要利用現有合適的托克馬克裝置或專門新建的測試設施對替代方案進行測試。

另一個技術挑戰是，利用何種材料制造反應堆內等離子體容器的結構、表面覆層和面向等離子體部件。聚變堆中等離子體發射的高能中子、電磁輻射對上述材料具有強烈作用，因而需要開發出能夠在數十年內承受中子不間斷轟擊的材料，但現有中子源的強度都不能滿足這種測試的需求。科學家正在研發一種以基於加速器的中子源(ITER計劃的一部分)，但歐洲聚變發展協會認為不久就需要研發其他中子源。

歐洲聚變發展協會還需要對“產氚包層(也稱實驗包層)”進行深入研究。產氚包層是等離子體容器壁的一部分，反應堆產生的中子在此將鋰轉變為核燃料氚。需要開發替代方案的包層設計，以應對擬在ITER進行測試的包層設計可能出現的失敗。該路線圖要求工業界更多地參與聚變示範電站的各項設計和建造工作，因為一旦這些工作完成之後，工業界就必須承擔發展聚變能的重任。此外，還需要加強等離子體理論和建模等各項工作。

作為最主要的備用計劃，路線圖倡導繼續堅持仿星器的設計和開發工作。仿星器是一種替代性聚變反應堆，其最大優點是能夠連續穩定地運行。上世紀60年代當托克馬克受到人們青睞時，對其重視程度有所降低。德國的溫特爾斯坦仿星器7-X(即W7-X)將於2014年建成，科學家在W7-X反應堆安裝了一種叫“仿星器”的設備，旨在模仿恒星內部持續不斷的核聚變反應。(鄭煥斌)

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2050年能否成功都成問題{:tell:}